Электрические измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

9

ГБПОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Учебно-методическое пособие

для организации самостоятельной работы студентов

по теме

«Электрические измерения»

Для специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)»

20.02.04. «Пожарная безопасность»

2018

Учебно-методическое пособие содержит сведения в виде опорного конспекта об особенностях эксплуатационных требований для различных электроизмерительных приборов, области их применения, основных технических характеристик и основных элементов конструкции измерительных приборов, применяемых в процессе обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования.

Приведены контрольные вопросы, задания для самостоятельной работы студентов и тестовые задания разных уровней сложности.

Печатается по решению методического Совета Воронежского государственного промышленно-экономического колледжа.

Воронежский государственный промышленно-экономический

колледж, 2018 г.

Содержание

Предисловие

Основные понятия измерения

Погрешность измерений

Электромеханические приборы

Мультиметры

Цифровые измерительные приборы

Вопросы для самопроверки

Задания для внеаудиторной и аудиторной работы

Литература

Приложение

Предисловие

Учебно-методическое пособие посвящено вопросам принципа работы, назначения и области применения электроизмерительных приборов, основных технических характеристик и основных элементов конструкции измерительных приборов, применяемых в процессе обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования.

Студенты, обучающиеся по специальности 13.02.11, изучают эти вопросы по дисциплине «Электротехника и электроника». В пособии приведены фрагменты рабочей программы дисциплины «Электротехника и электроника»: требования к знаниям и умениям студентов, содержание изучаемого материала и виды самостоятельной работы студентов по указанным разделам. Пособие состоит из двух частей: « Основы метрологии и измерительной техники» и «Измерение электрического тока, напряжения и мощности». Здесь описаны наиболее распространённые контрольно - измерительные приборы, используемые в практике по ремонту электрического и электромеханического оборудования.

Учебно-методическое пособие может быть полезным студентам, изучающим дисциплины: «Электрические измерения», «Основы технической эксплуатации и обслуживания электрического и электромеханического оборудования». Курс лекций является опорным. Выполнение всех практических и контрольных работ по дисциплине способствует формированию знаний и умений, необходимых для выполнения профессиональных обязанностей по специальности: Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям) и Пожарное дело.

Формируемые компетенции.

ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.

ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий.

ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.

ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

ПК 1.2. Организовывать и выполнять техническое обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования.

ПК 1.3. Осуществлять диагностику и технический контроль при эксплуатации электрического и электромеханического оборудования.

ПК 2.2. Осуществлять диагностику и контроль технического состояния бытовой техники.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

уметь:

* составлять измерительные схемы;

* выбирать средства измерений;

* измерять с заданной точностью различные электротехнические величины;

* определять значение измеряемой величины и показатели точности измерений;

знать:

* основные методы и средства измерения электрических величин;

* основные виды измерительных приборов и принципы их работы;

* влияние измерительных приборов на точность измерения;

* принципы автоматизации измерений;

* условные обозначения и маркировку измерительных приборов;

* назначение и область применения измерительных устройств.

Краткое содержание дидактических единиц:

Основные понятия измерений. Погрешности измерений.

Классификация электроизмерительных приборов.

Измерение тока и напряжения. Магнитоэлектрический измерительный механизм, электромагнитный измерительный механизм. Приборы и схемы для измерения электрического напряжения. Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров,

Измерение мощности. Электродинамический измерительный механизм. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов.

Индукционный измерительный механизм. Измерение электрической энергии.

Измерение электрического сопротивления, измерительные механизмы. Косвенные методы измерения сопротивления, методы и приборы сравнения для измерения сопротивления.

Виды самостоятельной работы студентов:

Работа со справочной литературой. Постановка экспериментов. Составление схемы, снятие показаний приборов. Решение задач, выполнение упражнений, самостоятельное изучение и конспектирование следующего материала:

? электродинамический измерительный механизм;

? измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов;

? индукционный измерительный механизм;

? измерение электрической энергии.

Составление электрической цепи. Выполнение практической работы по индивидуальному заданию. Составление схемы. Снятие показаний приборов. Оформление отчета. Анализ полученных данных.

Подготовка докладов об использовании измерительных преобразователей в различных видах электрооборудования технологических установок. Ответы на вопросы тестов.

Основные понятия измерений

Средства измерения электрических величин

Средствами измерения электрических величин называют технические устройства, используемые при измерениях и имеющие заданные метрологические характеристики.

В общем случае к средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и установки.

Мера предназначена для воспроизведения физической величины заданного значения.

К основным мерам электрических величин относятся меры: эдс, электрического сопротивления, индуктивности, электрической емкости и др. Меры высшего класса называются образцовыми. Они служат для проверки и градуировки рабочих мер и измерительных приборов.

Измерительные преобразователи предназначены для выработки электрического сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию.

Различают преобразователи электрических величин в электрические - шунты, добавочные сопротивления, делители напряжения и т. д., а также преобразователи неэлектрических величин в электрические - первичные преобразователи.

Измерительные приборы предназначены для выработки сигналов в форме, доступной для непосредственного наблюдения

К ним относятся, например, амперметр, вольтметр, ваттметр и др.

Электроизмерительная установка представляет собой совокупность мер, измерительных преобразователей и приборов, расположенных в одном месте и предназначенных для выработки сигналов в форме, удобной для непосредственного наблюдения.

Все средства измерений, и в частности электроизмерительные приборы, можно классифицировать по следующим признакам: виду получаемой информации, методу измерения, способу представления и регистрации информации.

ЗАПОМНИТЕ

Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются: погрешность, вариация показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время установления показаний и надежность.

Вариация показаний прибора -- наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины.

Она определяется при плавном подходе стрелки к выбранной отметке шкалы при движении стрелки один раз от начальной, а второй раз от конечной отметки. Причиной вариации является в основном трение в опорах подвижной части прибора.

Чувствительность S прибора -- отношение приращения перемещения указателя ?а к приращению измеряемой величины ?х:

Если чувствительность постоянна (шкала равномерная), то ее можно определить как S = а/х.

Величина, обратная чувствительности (С = 1/S), называется ценой деления (постоянной) прибора. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы.

Например, при S = 10 дел/В постоянная С = 0,1 В/дел.

Потребляемая мощность -- мощность, которую потребляет прибор при включении его в цепь.

В результате этого меняется режим работы цепи, что в конечном счете приводит к увеличению погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности является достоинством прибора.

Время установления показаний -- промежуток времени с момента включения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, отличающееся от установившегося значения не более чем на 1,5%.

Время установления показаний для большинства аналоговых измерительных приборов не превышает 4 с.

Надежность -- способность электроизмерительных приборов, сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Количественной мерой надежности является среднее время безотказной или исправной работы прибора.

Классификация электроизмерительных приборов

По виду получаемой информации электроизмерительные приборы делятся на приборы для измерения электрических (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических (температура, давление, влажность и др.) величин;

по методу измерения -- на приборы непосредственной оценки (амперметр, вольтметр и др.) и приборы сравнения (измерительные мосты и компенсаторы);

по способу представления измеряемой информации -- на аналоговые и дискретные (цифровые). Аналоговые электроизмерительные приборы, в свою очередь, могут быть электромеханическими и электронными.

Общие сведения об электромеханических измерительных приборах

Электромеханические приборы составляют большую группу электроизмерительных приборов. Их основными частями являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм.

Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину (напряжение, мощность, частоту и т. д.) в пропорциональную ей величину, воздействующую на измерительный механизм.

Измерительный механизм преобразует подводимую к нему электрическую энергию в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя (например, стрелки).

Так измерительная цепь вольтметра состоит из обмотки измерительного механизма и добавочного резистора. Так как сопротивление этой цепи постоянно, то ток через измерительный механизм пропорционален измеряемому напряжению и вызывает соответствующее отклонение стрелки вольтметра.

Поэтому измерительный механизм рассматривают как преобразователь электрической величины в механическое перемещение и называют электромеханическим преобразователем.

Основными электромеханическими измерительными механизмами являются магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные и электростатические. Кроме того, существует еще значительное число систем, таких механизмов узко специализированного назначения.

ЗАПОМНИТЕ

Общими элементами электромеханических измерительных приборов являются

? отсчетное устройство,

? подвижная часть измерительного механизма,

?устройства для создания вращающего, противодействующего и успокаивающего моментов.

Вращающий момент Мвр, действующий на подвижную часть, является функцией измеряемой величины х (тока или напряжения) Мвр = f(x).

Подвижная часть измерительного механизма под действием Мвр поворачивается до тех пор, пока он не уравновесится противодействующим моментом Мпр, создаваемым с помощью растяжек или спиральных пружин при их закручивании и направленным навстречу Мвр. Значение противодействующего момента пропорционально углу поворота подвижной части а:

Мпр = k а,

где k -- удельный противодействующий момент растяжки или пружины.

Установившееся отклонение подвижной части и укрепленного на ней указателя характеризуется равенством

Рис 1.1. Устройство подвижной части измерительного механизма

На рис. 1.1. представлено устройство подвижной части измерительного механизма, в котором противодействующий момент создается спиральными пружинами 5 и 6, выполненными из оловянно-цинковой бронзы. Пружина 6 одним концом крепится к оси 2, а другим - к поводку 4 корректора. Корректор служит для установки на нуль стрелки невключенного прибора. Он состоит из винта 9 с эксцентрично расположенным пальцем 8, вилки 7 с поводком 4. Для уравновешивания подвижной части служат грузики -- противовесы 10. Ось 2 заканчивается кернами, опирающимися на подпятники 1. Жёстко с осью закреплена стрелка 3.

Для успокоения стрелки в приборах применяются воздушные, магнитоиндукционные и жидкостные успокоители.

В приборах со спиральными противодействующими пружинами чаще для создания момента успокоения применяют воздушные успокоители. Они представляют собой закрытую камеру, в которой помещается легкое алюминиевое крыло, жестко связанное с подвижной частью измерительного механизма. При перемещении воздуха из одной части камеры в другую через зазор (между камерой и крылом) тормозится движение крыла, создавая момент успокоения.

Отсчетное устройство обязательно имеет шкалу и указатель. На шкалу нанесены отметки в виде коротких чёрточек, соответствующих определенным значениям измеряемой величины. Интервал между соседними отметками шкалы называют делением.

ЗАПОМНИТЕ

Шкалы могут быть равномерными (деления постоянной длины) и неравномерными (деления непостоянной длины). Наименьшее значение, указанное на шкале, называется начальным, наибольшее -- конечным. Область между начальным и конечным значениями называют диапазоном показаний прибора.

Значение измеряемой величины отсчитывается с помощью указателя. Как правило, указатели выполняют в виде стрелок, чаще всего клиновидных или ножевидных, жёстко скрепленных с подвижной частью измерительного механизма.

2. Погрешности измерений

Общие сведения

Погрешностью называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

В электроизмерениях различают несколько видов погрешностей, которые можно подразделить на две большие группы: основные и дополнительные.

Основная погрешность определяется при нормальных условиях работы измерительного прибора, т.е. при определенных температуре, влажности окружающей среды, давлении, частоте, форме и значении питающего напряжения, а так же при его рабочем положении (для электромеханических приборов).

Дополнительная погрешность появляется при отклонении величин, влияющих на результат измерения, от нормальных значений.

Нормальные условия работы для измерительных приборов следующие:

? температура (20±5) єС;

? относительная влажность (60 ± 15) %;

? атмосферное давление (750±30) мм. рт. ст.

При работе прибора от сети переменного тока напряжение питания может отличаться от нормального (номинального) значения не боле чем на ±10% (198…242 В) при частоте (50±1) Гц.

Основная погрешность включает в себя систематическую и случайную составляющие.

Систематическая погрешность при повторных измерениях одной и той же величины одним и тем же прибором остается постоянной или изменяется по определенному закону. Она легко обнаруживается и может быть исключена из результата измерений.

Приведем практические рекомендации по уменьшению систематической погрешности:

? предварительная (перед измерением) установка на нуль стрелки индикатора в аналоговых электромеханических приборах, которая осуществляется механическим корректором, выведенным под шлиц в нижней части индикатора, а в цифровых и аналоговых электронных приборах - специальным регулировочным потенциометром, выведенным на лицевую панель прибора и обозначенным символом >0< или надписью «Уст.0». Причем механическая установка нуля выполняется при выключенном приборе, а электронная - при включенном приборе и закороченном входе;

? предварительная (перед измерением) калибровка прибора. Регулировочный потенциометр обычно имеют только электронные приборы и далеко не все. Такой потенциометр чаще всего выведен на лицевую панель и обозначен символом Ў или надписью «Калибр». Прибор при этом должен быть выключен;

? введение поправки (с).

Случайная погрешность при повторных измерениях изменяется случайным образом. Она резко выделяется на фоне систематической погрешности, возникает часто в результате оплошности оператора (ошибочных отсчета или записи показаний, влияния природных или техногенных факторов и др.).

Основным способом уменьшения случайной погрешности является обработка результатов измерений методами статистики и теории вероятности.

Измерения классифицируется по определенным признакам, например по способу получения результата измерения. Они подразделяются на прямые и косвенные.

При прямых измерениях искомая величина определяется непосредственно прибором: ток - амперметром, напряжение - вольтметром и т.д.

При косвенных измерениях искомая величина определяется посредством выполнения определенных математических действием с использованием результатов измерений, например измерения частоты осциллографом.

Специалисту необходимо уметь быстро уверенно оценивать погрешность того или иного измерения, наиболее часто встречающегося по роду его профессиональной деятельности, поэтому далее рассмотрим качественную оценку систематической погрешности прямых и косвенных измерений.

Абсолютная погрешность измерения

?= ¦Аи - А¦ (2.1)

Так как абсолютная погрешность не дает представления о точности измерения, используют относительную действительную погрешность измерения ( или установки) параметра, %

гд = ? ?100/ А (2.2)

гпр = ?max ?100/ А ном (2.3)

Для пояснения приведенных далее практических выводов пользователю проанализируем формулы (2.2) и (2.3) , построив для примера графики зависимостей гд и гпр от показания прибора (положения стрелки) с односторонней шкалой (рис.2.1).

Рис. 2.1. График зависимостей гд и гпр от положения стрелки

измерительного прибора с односторонней шкалой.

Поделив шкалу прибора (от нуля до Аном) на четыре четверти I…IV, видим, что гд максимальна в четверти I шкалы прибора и минимальна в четверти IV. На основании этого утверждения можно сделать следующие практические выводы для оператора.

1. Для получения наименьшей погрешности измерения гд необходимо использовать четверть IV или III шкалы прибора и не выполнять измерения, если его стрелка находится в четверти II, а тем более I.

2. Относительная приведенная погрешность гпр не зависит от показаний прибора.

На основании второго вывода ГОСТ 8.401 - 80 определяет девять классов точности приборов: 0,02; 0,05; 0,1; 0, 2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5;4,0.

В приборах самого высокого первого класса точности гпр = 0,02%, а в приборах самого низкого девятого класса точности гпр = 4%.

Класс точности всегда указывается на лицевой панели прибора соответствующей цифрой без знака процентов.

Если в формулу (2.2) подставить абсолютную погрешность, определенную из выражения (2.3), получим формулу, связывающую гд и гпр

гд = гпр ?Аном/А (2.4.).

Значение абсолютной или относительной погрешности приводится в техническом паспорте в виде конкретной цифры или формулы.

Погрешности косвенных измерений определяются по следующей формуле:

гд=¦k1 ? гд1¦+ ¦ k2 ? гд2 ¦+ …+¦ k1?гдп¦, (2.5)

где к1, к2, … , кn - показатели степени (как известно, они могут быть положительными и отрицательными, целыми и дробными);

гд1, гд2,… гдп - относительные действительные погрешности результатов прямых измерений.

Необходимо отметить, что относительная действительная и приведенная погрешности могут быть как положительными, так и отрицательными.

На практике формула (2.5) чаще всего ограничивается двумя слагаемыми.

Косвенные измерения основываются на использовании следующих известных зависимостей:

U= I1R1, k1=1, k2 = 1;

I=U/R=U1R-1, k1=1, k2= -1;

R= U/I=U1I-1, k1=1, k2 = -1;

P = U1I1, k1=1, k2 = 1;

P= U2/R =U2R-1, k1=1, k2= -1;

P= I2R=I2R1, k1=1, k2 = 1;

Точность и относительная погрешность измерений связаны между собой обратной зависимостью: v=1/ гд.

Примеры решения задач

Пример 2.1. Измерены два значения напряжения 50 и 400 В вольтметром с номинальным значением 400 В с одной и той же абсолютной погрешностью 1В. Требуется определить какого из указанных значений напряжения погрешность измерения меньше.

Решение. При определении погрешности измерений необходимо правильно ввести обозначения исходных данных.

Так как измерение напряжений выполняется рабочим вольтметром, в данной задаче

U1= 50 B, U2= 400 B, ?1 = ?2 = 1B.

Вид шкалы вольтметра в условии не указан, следовательно, используется прибор с односторонней шкалой, у которого Amin = 0, Amax= 400 B, поэтому

uном= 400В.

Погрешность измерения определяем по формуле(2.2):

гд1 = ?/Uд1100 = 1В/50B 100%= 2%.

гд2 = ?/Uд2100 = 1 B/400B 100% = 0,25%.

Отличие погрешностей измерения одним и тем же вольтметром напряжения 50 В и 400 В в 8 раз объясняется с помощью рис.2.1, т.е.при измерении U1 = 50 B стрелка индикатора вольтметра будет находиться в первой четверти шкалы (рис.2.2. а), а при измерении U2 = 400 B - в четвертой четверти (рис.2.2,б).

Рис 2.2. Положения стрелки вольтметра

при измерении напряжений 50В (а) и 400 В (б)

Пример 2.2. В результате калибровки вольтметра магнитоэлектрической системы со шкалой 0...50 В и шагом шкалы 10 В получены следующие показания образцового вольтметра



U,B	0	10,0	20,0	30,0	40,0	50,0
Uи	0,2	10,2	19,9	30,3	39,5	50,9

Требуется определить относительную приведенную погрешность измерения и назначить класс точности прибора.

Решение. Для определения гпр используем формулу (2.3).

Максимальная абсолютная погрешность измерения ?max =50,9 - 50= 0,9 В, номинальное напряжение Uном =50 - 0 = 50 В, тогда гпр = 100%*0,9 В/50В = 1,8%

Полученное значение не попадает в существующие классы точности прибора, поэтому присваиваем данному вольтметру ближайший больший класс точности - 2,5%.

Следует отметить, что класс точности прибора, определяя приведенную погрешность, не является непосредственным показателем точности измерений. Для доказательства этого утверждения рассмотрим следующую задачу.

Пример 2.3. Для измерения тока 4 мА имеются два миллиамперметра: первый- класса точности 1% с верхним пределом 20 мА и второй - класса точности 2,5% с верхним пределом 5 мА. Требуется определить, каким прибором заданный ток можно измерить с меньшей относительной погрешностью.

Решение. Относительные действительные погрешности измерения определяем по формуле (2.4).

гд1 = гпр1 ? Iном1/I = 1% ? 20 мА/4мА = 5%

гд2 = гпр2 ? Iном2/I = 2,5% ? 5мА/4мА = 3,125%

Следовательно, стрелка второго миллиамперметра (низкого класса точности) при измерении будет находиться в четвёртой четверти шкалы, а стрелка первого миллиамперметра, имеющего класс точности 1% - в первой.

Вывод. Выбираем второй миллиамперметр (более низкого класса точности, но с меньшим пределом измерения).

Электромеханические приборы

Характеристики приборов

Для измерения тех или иных параметров на производстве бывает необходимо выбрать прибор, оценив его характеристики, причем не всегда на этот прибор имеется паспорт. Поэтому рассмотрим определение основных метрологических характеристик приборов, примеры расшифровки символов, изображаемых на их лицевых панелях, критерии сравнительного анализа и другие факторы.

Для примера возьмем изображения лицевых панелей двух микроамперметров, показанные на рис. 3.1.

Определяемые характеристики этих приборов будем вносить в заранее подготовленную табл. 3.1*.

Необходимые характеристики найдем, используя теоретические сведения в приложениях.

Определим номинальные значения токов для обоих приборов, имеющих одностороннюю шкалу:

Iном1 = 50-0 = 50 мкА; Iном2 = 50-0 = 50 мкА.

Рис.3.1.Изображения шкал микроамперметров

магнитоэлектрической и электромагнитной систем

Таблица 3.1.

Система прибора	Тип при- бора	Iном, мкА	yпр., %	rA, Ом	C, мкА/дел.	S, дел./мкА	UA, В	PA, мВт	Диапазон измерения тока D1 = Iном - Imin, мкА	Частотный диапазон Df = Fmax - Fmin , Гц
	М265 Э412

*Для вольтметров составляется аналогичная таблица, в которой вместо Iном указывается значение Uном, вместо rA - значение rv, а вместо напряжения

Uном - значения Iv.

Классы точности приборов:

гпр1 = 1,5%; гпр2 = 4,0%.

Внутренние сопротивления микроамперметров:

rA = 2 кОм; rA2 = 3 кОм.

Цена деления приборов

Чувствительность микроамперметров:

Рассчитаем падение напряжений на приборах:

UA1 = 50*10-6 А*2*103 Ом = 0,1 В;

UA2 = 50*10-6 А*3*103 Ом = 0,15 В;

Определим потребляемую приборами мощность (так как мощность в табл. 3.1. должна быть представлена в милливаттах, то результат расчета следует умножить на 103):

PA1 = 50*10-6*50*10-6А2*2*103Ом = 0,005 мВт;

PA2 = 50*10-6*50*10-6А2*3*103Ом = 0,0075 мВт;

Найдем рабочие участки шкал обоих приборов:

Imin1 = 10 мкА, Imax1 = 50 мкА;

Imin2 = 20 мкА, Imax2 = 50 мкА.

Соответственно диапазоны измерения тока у приборов следующие:

Di1 = Imax1 - Imin1 = (50 - 10 ) = мкА = 40 мкА;

Di2 = Imax2 - Imin2 = (50 - 20) = мкА = 30 мкА.

Частные диапазоны приборов определяется аналогично диапазонам измерения тока. Отличие заключается в том, что прибор магнитоэлектрической системы может использоваться только на постоянном токе, т.е. у него Df = 0, информация о чем указана на изображении лицевой панели прибора М265.

Частотный диапазон прибора электромагнитной системы

Df2 = Fmax2 - Fmin2 = ( 100 - 0 ) Гц = 100 Гц.

 Знаки и символы, наносимые на лицевой панели прибора

Приведем для примера расшифровку всех знаков символов, помещенных на изображениях лицевых панелей приборов, показанных на рис.3.1. электрический измерение прибор

Прибор М265:

М - буквенный шифр магнитоэлектрической системы;

265 - номер разработки (модели);

1983 - год выпуска;

мА - микроамперметр;

2кЩ - внутреннее сопротивление 2 кОм;

-- - предназначен для использования в цепях постоянного тока;

?…- графическое обозначение магнитоэлектрической системы, защищенной от действия внешних магнитных полей;

1, 5 - класс точности;

+ - рабочее положение вертикальное;

- измерительный механизм изолирован, и сопротивление изоляции испытано напряжением 2 кВ.

Прибор Э412:

Э - буквенный шифр электромагнитной системы;

412 - номер разработки;

1989 г. - год выпуска;

мА - микроамперметр;

100 Hz - частота;

3кЩ - внутреннее сопротивление;

? - предназначен для использования в цепях переменного и постоянного тока;

? - графическое обозначение электромагнитной системы;

4,0 - класс точности;

- измерительный механизм изолирован, и сопротивление изоляции испытано напряжением 2кВ.

Измерительные механизмы и приборы различных систем

Устройство, принцип действия магнитоэлектрического и электромагнитного механизмов

Магнитоэлектрический механизм работает лишь при постоянном токе, но ввиду высоких качеств его широко применяют в соединении с различными преобразующими устройствами для измерений переменного тока. При соединении магнитоэлектрического механизма и полупроводникового выпрямителя получают выпрямительный (детекторный) прибор; а если этот же механизм соединить с термопарами, образуется термоэлектрический прибор.

В магнитоэлектрическом механизме вращающий момент создается взаимодействием поля постоянного магнита и измеряемого тока катушки. Механизмы данной системы могут быть с подвижной катушкой и с подвижным магнитом. Последние обладают весьма низкой точностью и применяются относительно редко.

По своим конструктивным особенностям магнитоэлектрические измерительные механизмы с подвижной катушкой делятся на механизмы с внешним магнитом и механизмы с внутрирамочным магнитом.

Магнитная система механизмов с внешним магнитом (рис. 3.2.) состоит из сильного постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и сердечника. Три последние части изготовляют из легко обрабатываемой магнитомягкой стали. В результате тщательной обработки полюсных наконечников и сердечника в воздушном зазоре между ними создается практически равномерное радиальное магнитное поле.

В механизмах с внутрирамочным магнитом (рис. 3.3.) сердечником служит постоянный магнит 1. Его охватывает кольцевой магнитопровод 3, изготовленный из магнитомягкой стали. Магнитодвижущая сила постоянного магнита неодинакова на различных участках воздушного зазора и при равномерном зазоре создавала бы примерно синусоидальное распределение индукции в зазоре вдоль окружности сердечника. Но посредством накладок 2 из магнитомягкой стали удается сделать магнитное поле в большей части зазора практически равномерным, радиальным.

В обеих конструкциях измерительных механизмов подвижная катушка 4 устанавливается на растяжках или опорах и может поворачиваться относительно сердечника в пределах примерно 90°. Эта катушка наматывается на алюминиевый каркас. Такую подвижную часть принято называть рамкой. Алюминиевый каркас служит в этом механизме магнитоиндукционным успокоителем, так как он представляет собой короткозамкнутый виток, помещенный в поле постоянного магнита. При перемещении подвижной части изменяется потокосцепление каркаса, вследствие чего в нем индуктируется эдс и возникает ток в каркасе. Ток, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создает силу, тормозящую колебания рамки.

Рис 3.2.Магнитоэлектрический механизм с внешним магнитом:

1 -- постоянный магнит, 2 -- магнитопровод,

3 -- полюсные наконечники, 4 -- подвижная катушка

Вращающий момент в приборе определяется на основании закона электромагнитной силы. На каждый из проводников катушки воздействует сила

F = BIl,

здесь l -- активная длина проводника, приблизительно равная высоте катушки h. Каждый из щ витков катушки имеет две активные стороны. Плечо приложения силы равно половине ширины d катушки, на основании чего вращающий момент, воздействующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма, будет:

а так как hd = S - площадь катушки, то

Следовательно, в магнитоэлектрическом механизме вращающий момент пропорционален магнитной индукции в воздушном зазоре и измеряемому току. Так как магнитная индукция в воздушном зазоре распределена практически достаточно равномерно, то можно считать, что

Противодействующий момент Мпр создается кручением растяжек или пружин. Они служат вместе с тем для подвода тока в подвижную часть, т.е. Мпр = kврI .

При установившемся отклонении ток

Угол отклонения подвижной части прямо пропорционален измеряемому току -- магнитоэлектрический прибор имеет равномерную шкалу (поскольку магнитную индукцию можно считать одинаковой в пределах рабочей части воздушного зазора).

Применив правило левой руки, легко убедиться, что подвижная катушка стремится принять положение, при котором направление ее поля совпадает с направлением основного магнитного поля, создаваемого магнитом. Направление вращающего момента изменяется при изменении направления тока, поэтому при включении в цепь переменного тока промышленной частоты стрелка будет оставаться на нулевом делении, так как на подвижную часть будут воздействовать быстро изменяющиеся вращающие моменты противоположного направления.

Магнитоэлектрические механизмы весьма чувствительны, так как их основное магнитное поле возбуждается постоянным магнитом, а не измеряемым током. По этой причине для высокочувствительных нулевых приборов (гальванометров) обычно применяют магнитоэлектрические измерительные механизмы.

Из-за большой чувствительности магнитоэлектрический механизм отличается малым собственным потреблением энергии.

Внешние магнитные поля мало влияют на показания этих приборов в результате собственного сильного магнитного поля и экранирующего действия магнитопровода из магнитомягкой стали. Недостатком системы можно считать относительно высокую стоимость механизмов.

Рис.3.3.Магнитоэлектрический механизм с

внутрирамочным магнитом:

1 -- постоянный магнит,

2 -- накладки, 3 -- магнитопровод

Электромагнитный механизм показан на рисунках 3.4, 3.5,3.6.

В приборах этой системы перемещение подвижной части вызывается воздействием магнитного поля неподвижной катушки на сердечник из магнитомягкого ферромагнитного материала, укрепленный на одной оси со стрелкой.

Электромагнитные силы стремятся переместить сердечник так, чтобы магнитный поток в механизме был наибольшим. В настоящее время широко применяют три основные конструкции электромагнитных механизмов.

В механизмах с плоской катушкой (рис. 3.4) сердечник 1 из магнитомягкого материала втягивается в относительно узкую щель катушки 2 при наличии в ней измеряемого тока. Для усиления магнитного поля и регулирования вращающего момента служит второй неподвижный сердечник 3.

В механизмах с круглой катушкой (рис. 3.5.) внутри катушки 1 находятся два ферромагнитных сердечника 2 и 3. Один из них 2 неподвижен, а второй 3 (подвижный) укреплен на оси. При наличии в катушке измеряемого тока сердечники намагничиваются и стремятся оттолкнуться друг от друга, что и создает вращающий момент.

В механизмах с магнитопроводом (рис. 3.6.) подвижный сердечник 1 помещен в зазоре магнитопровода между когтеобразными полюсными наконечниками 2 и 3. Магнитный поток возбуждается измеряемым током катушки 4. Подвижный сердечник, имеющий форму сектора, стремится занять положение, соответствующее максимуму энергии магнитной системы.

Подвижная часть электромагнитных приборов устанавливается на растяжках или на опорах. Для создания противодействующего момента используют кручение растяжек или спиральной пружины.

Электромагнитные механизмы с круглой или плоской катушкой, имеющие слабое магнитное поле, снабжаются экранами 4 (см. рис.3.5) для защиты от внешних магнитных влияний.

Для успокоения в электромагнитных приборах применяются воздушные (см. рис.3.4.), магнитоиндукционные (см. рис.3.5.) и жидкостные успокоители. Вращающий момент этих приборов пропорционален квадрату тока I2 и изменению индуктивности системы при повороте подвижной части

Следовательно, изменение направления измеряемого тока не изменяет направления вращающего момента: при изменении направления тока происходит одновременное изменение полярности сердечников и направления магнитного поля. В принципе приборы пригодны для измерения постоянного и переменного токов. Но при постоянном токе влияние гистерезиса может вызывать разницу в показаниях прибора при возрастании и убывании тока (доходящую примерно до 2%). При переменном токе потери в сердечнике на гистерезис и вихревые токи несколько уменьшают отклонения подвижной части. В лабораторных и переносных приборах при применении сердечников из пермаллоя разница в показаниях при постоянном и переменном токах становится незначительной. Но большинство щитовых приборов этой системы предназначается для измерений только переменного тока.

Приборы электромагнитной системы по конструкции просты, дешевы, весьма устойчивы к перегрузкам, благодаря этим эксплуатационным качествам щитовые электромагнитные амперметры и вольтметры переменного тока широко применяются на практике.

Рис. 3.4. Электромагнитный механизм с плоской катушкой:

1 -- подвижный сердечник, 2 -- катушка,

3 -- неподвижный сердечник, 4 -- экран

Рис.3.5.Электромагнитный механизм с круглой катушкой:

1 -- катушка, 2 и 3 -- сердечники, 4 -- экран

Рис. 3.6.Электромагнитный механизм с магнитопроводом:

1 - подвижный сердечник; 2, 3 - наконечники, 4 - обмотка

Недостатками механизмов электромагнитной системы являются относительно большое собственное потребление энергии, зависимость показаний от внешних магнитных полей и некоторая неравномерность шкалы, особенно в ее начальной части.

.Измерение тока и напряжения

Измерение постоянного тока

Постоянные токи порядка 10-3 - 10-2 А измеряют, как правило, приборами непосредственной оценки - миллиамперметрами и амперметрами магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем, а также электронными аналоговыми и цифровыми приборами.

Для измерения больших постоянных токов (свыше 100 А) обычно применяют амперметры магнитоэлектрической системы с использованием шунтов, подключаемых параллельно измерительному механизму ИМ (рис. 3.8,а).

Сопротивление шунта подбирается из соотношения

Rш = Rи/ (n - 1),

где RА - сопротивление обмотки измерительного механизма;

n = I/Iи - коэффициент шунтирования;

I - измеряемый ток; Iи - допустимый ток ИМ.

Рис. 3.7. Внешний вид шунта

Рис. 3.8.Измерение силы тока и напряжения

а) Амперметр магнитоэлектрической системы с использованием шунтов, подключаемых параллельно измерительному механизму;

б) Схема включения вольтметра с добавочными резисторами Rд

Рис. 3.9.Добавочный резистор, намотанный на

изолирующую пластину

Измерение переменного тока

При измерении переменных токов важно, какое значение тока измеряется: действующее, амплитудное или среднее. Эта необходимость вызвана тем, что все приборы градуируются в действующих значениях синусоидального, а реагируют подвижные части некоторых измерительных механизмов на среднее значение измеряемой величины.

Переменные токи до 100 мкА измеряют обычно цифровыми микроамперметрами. Токи выше 100 мкА измеряют выпрямительными микроамперметрами. Для измерения переменных токов в диапазоне 10 мА - 100А используют электромагнитные, электродинамические и выпрямительные приборы, работающие в частотном диапазоне до десятков килогерц, и термоэлектрические приборы в диапазоне частот до сотен мегагерц. Большие переменные токи измеряют теми же приборами, но с использованием измерительных трансформаторов тока.

Измеряют переменные токи и косвенным способом. В этом случае последовательно в измерительную часть включают образцовый регистр и измеряют падение напряжения на нем.

ЗАПОМНИТЕ

При измерении тока включение в измеряемую цепь амперметра с внутренним сопротивлением RА или образцового резистора изменяет режим работы цепи. Вследствие этого появляется методическая погрешность измерения тока

д1 = - 1/ (1 + Rвх А/RА),

где Rвх А - входное относительно зажимов амперметра сопротивление цепи. Чем меньше сопротивление обмотки амперметра, тем меньше методическая погрешность измерения.

Измерение постоянного и переменного напряжения

При измерении эдс и напряжения на каком-либо участке электрической цепи измеритель напряжения включают параллельно этому участку.

При измерениях постоянных напряжений в диапазоне 1 - 1000 мкВ используют цифровые микровольтметры и компенсаторы постоянного тока. Значение напряжений от десятков милливольт до сотен вольт измеряют приборами магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической систем, электронными аналоговыми и цифровыми вольтметрами с использованием делителей напряжения и добавочных резисторов.

Схема включения вольтметра с добавочными резисторами Rд приведена на рис. 3.8,б. Сопротивление их определяется из условия

где Rv - внутреннее сопротивление вольтметра;

n1,2 = U1,2/Umv - масштабный коэффициент.

Для измерения постоянных напряжений до нескольких киловольт применяют в основном электростатические вольтметры, реже приборы других систем с делителями напряжения.

Малые переменные напряжения (до единиц вольт) измеряют с помощью приборов выпрямительной системы, аналоговыми и цифровыми электронными вольтметрами.

Для измерения переменных напряжений от единиц до сотен вольт в диапазоне частот до десятков килогерц используют приборы электромагнитной, электродинамической и выпрямительных систем. В диапазоне частот до десятков мегагерц напряжение измеряют приборами электростатической и термоэлектрической систем, цифровыми вольтметрами.

Большие значения переменных напряжений (свыше киловольта) измеряют теми же приборами, но с применением измерительных трансформаторов напряжения. Последние кроме преобразования переменного напряжения обеспечивают изоляцию вторичной цепи от первичной, находящейся под высоким напряжением.

ЗАПОМНИТЕ

При подключении вольтметра с внутренним сопротивлением Rv к участку электрической цепи изменяется ее режим работы. В этом случае возникает методическая погрешность измерения напряжения

дv = - 1/ (1 + Rv/Rвх V),

где Rвх V - входное относительно зажимов вольтметра сопротивление цепи.

Чем больше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения.

Измерение электрической мощности

Мощность в электрических цепях измеряют прямым и косвенным способами. При прямом измерении используют ваттметры, варметры, а при косвенном -- амперметры и вольтметры.

Измерение мощности в цепях постоянного тока

В цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют относительно редко, в основном используют метод амперметра -- вольтметра (рис. 3.10.). Определив амперметром значение тока I и вольтметром напряжение U, вычисляют мощность по формуле

Р = UI.

Для уменьшения погрешности из-за влияния внутренних сопротивлений приборов схему рис. 3.10,а следует использовать при малом сопротивлении R, а схему рис. 3.10,6 -- при большом сопротивлении R нагрузки.

Измерение мощности в цепях переменного тока

Полную мощность S приемника измеряют, как правило, методом амперметра-вольтметра:S=UI,

где U и I - действующие значения напряжения и тока.

Рис.3.10. Схемы измерения мощности методом амперметра-вольтметра

Активную мощность приемников Р = UIcosц

измеряют с помощью ваттметров на основе электродинамического (рис.3.11.) или ферродинамического измерительного механизма (рис.3.12.).



Рис.3.11. Электродинамический измерительный механизм:

1, 2 - катушки, 3 - пружины

Рис.3.12. Ферродинамический измерительный механизм:

1,2 - катушки, 3 - магнитопровод

Электродинамические механизмы основаны на принципе взаимодействия проводников с токами: два проводника с противоположно направленными токами взаимно отталкиваются, с одинаково направленными токами -- притягиваются. В основном, измерительный механизм этой системы (рис.3.11) состоит из неподвижной 1 и подвижной 2 катушек, с токами Iн и Iп.

Ток в подвижную катушку Iп подводится через две растяжки или через спиральные пружины 3, которые вместе с тем служат для создания противодействующего момента. Катушки прибора могут быть без стального сердечника или со стальным сердечником и, хотя электродинамический принцип используется в обоих типах приборов, тем не менее, электродинамическими принято называть приборы первого типа, а ферродинамическими -- приборы второго типа.

Сила, создаваемая взаимодействием токов двух катушек прибора, пропорциональна произведению этих токов. Кроме того, эта сила зависит от тельного положения катушек, изменяющегося по мере перемещения подвижной катушки.

Последняя зависимость выражается как пропорциональность изменению взаимной индуктивности ?М при перемещении подвижной катушки на ?б т. е.

При одновременном изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента не изменяется. Следовательно, как электродинамические, так и ферродинамические механизмы пригодны для переменного и постоянного токов.

В механизмах без сердечника собственное магнитное поле слабо, так как оно создается в неферромагнитной среде. По этой же причине для получения точного вращающего момента катушки механизма должны иметь значительное число витков; но из-за большого числа витков сопротивление катушек сравнительно велико, что обусловливает относительно большое собственное потребление энергии такими механизмами. Для защиты от внешних магнитных влияний современные электродинамические механизмы помещают внутри двойного экрана из ферромагнитного материала пермаллоя. Внешние магнитные поля не проникают в экранированный механизм, так как замыкаются через экраны.

Характерным свойством электродинамических приборов (без сердечников) является высокая точность из-за отсутствия ферромагнетиков в механизме. Для измерений на переменном токе эти приборы можно считать наиболее точными. Таким образом, электродинамические приборы служат главным образом переносными лабораторными приборами (в особенности ваттметрами) высокой точности (классов 0,5; 0,2 и 0,1). Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, а у амперметров и вольтметров она неравномерна (сжата ее начальная часть).

Из-за плохих условий охлаждения и значительного собственного потребления энергии электродинамические механизмы не должны сильно перегружаться.

Приборы электродинамической системы из-за сложности изготовления дороги.

В ферродинамических механизмах неподвижная катушка 1 снабжена стальным магнитопроводом 3, а подвижная катушка 2 охватывает стальной сердечник (рис. 3.12). Наличие стали создает в этих механизмах сильное собственное магнитное поле, следовательно, и больший вращающий момент, что позволяет существенно снизить собственное потребление энергии механизмами. Внешние магнитные поля на их показания практически не влияют.

Отрицательным последствием применения стального сердечника является некоторое понижение точности из-за дополнительных погрешностей, вызываемых потерями в сердечнике и нелинейностью кривой намагничивания стали. При постоянном токе гистерезис вызывает разницу в показаниях при возрастании и убывании измеряемой величины. Наличие стали ограничивает частотный диапазон приборов (верхний предел примерно 500 Гц).

Ферродинамические приборы изготовляют щитовыми и переносными для работы на переменном токе. Кроме того, ферродинамические механизмы применяют в самопишущих приборах, в которых требуются большие вращающие моменты.

Рис. 3.13. Схема включения ваттметра

Измерение активной мощности ваттметром в однофазных цепях производят по схеме рис. 3.13. Токовую обмотку включают в цепь последовательно с приемником Rн (т. е. в цепь тока I), а обмотку напряжения -- параллельно приемнику Rн на напряжение U.

Реактивную мощность Q= UIsinц в однофазных цепях измеряют только в лабораториях при проведении каких-либо исследований включением варметров по специальным схемам.

Индукционный механизм и приборы измерения электрической энергии

Индукционный механизм (рис. 3.14.) состоит из двух неподвижных магнитопроводов 1 и 2 с обмотками и подвижного алюминиевого диска 4, укрепленного на оси.

Рис.3.14.Индукционный механизм

1, 2- магнитопроводы с обмотками, 3- магнит,

4-подвижный алюминиевый диск

Магнитные потоки Ф1 и Ф2, создаваемые синусоидальными токами I1 и I2 и пронизывающие диск, смещены в пространстве. При этих условиях в диске образуется бегущее магнитное поле, под влиянием которого диск приходит во вращение. Магнит 3 служит для создания тормозного элемента.

Среднее значение вращающего элемента

Измерительные приборы на базе индукционных механизмов используют главным образом в качестве однофазных и трехфазных счетчиков энергии переменного тока. Счетчики имеют классы точности: 1,0; 2.0 и 2,5. Промышленность выпускает однофазные счетчики электроэнергии на токи 5 и 10 А и напряжения 127 и 220 В; трехфазные счетчики на токи до 50А и напряжения 127, 220 и 380 В для непосредственного включения и до 2000 А и 35 кВ для включения через измерительные трансформаторы.

Рис. 3.15.Устройство индукционного счетчика:

1,2 -- электромагниты, 3 -- диск, 4 -- постоянный магнит



Рис.3.16. Диск и тормозной магнит счётчика

Рис.3.17. Схема включения трехфазного

двухэлементного счетчика

Сравнительный анализ приборов с измерительными механизмами различных систем

По полученным в разделах 3.1 и 3.2 характеристикам проведем сравнительный анализ рассматриваемых приборов с указанием их достоинств и недостатков.

Приведем критерии, используемые при сравнительном анализе измерительных приборов:

? класс точности ( чем меньше гпр, тем прибор лучше);

? внутренне сопротивление ( чем меньше rA, тем лучше амперметр, чем больше rV, тем лучше вольтметр);

? чувствительность ( чем больше S, тем прибор лучше);

? падение напряжения на амперметре ( чем меньше Ua, тем прибор лучше) либо потребляемый вольтметром ток (чем меньше Iv, тем прибор лучше);

? потребляемая приором мощность ( чем меньше Р, тем прибор лучше);

? диапазон измерения параметра (чем он больше, тем прибор лучше);

? частотный диапазон (чем он больше, тем прибор лучше);

? вид шкалы (лучше прибор с равномерной шкалой);

? наличие защиты от внешних магнитных полей ( прибор лучше при наличии такой защиты);

? год выпуска (чем прибор новее, тем он лучше);

? рабочее положение (лучше прибор, работающий в любом положении);

? по роду тока (лучше прибор универсальный).

На основании приведенных критериев сравним рассматриваемые приборы М265 и Э412.

Преимущества прибора М265:

? равномерная шкала;

? наличие защиты от влияния внешних магнитных полей;

? меньшая гпр;

? меньшее внутреннее сопротивление;

? меньшее падение напряжения;

? меньшая потребляемая мощность;

? более широкий диапазон измерения.

Недостатки прибора М265:

? неуниверсальный;

? более раннего года выпуска;

? работает только в вертикальном положении;

? меньший частотный диапазон.

А. Оценка погрешностей измерений)

Для примера найдём погрешности измерения тока 25 мкА рассматриваемыми приборами М265 и Э412, для чего используем формулу (2.4):

гд1= 1,5%?50 мкА/25 мкА = 3%;

гд2= 4,0% ?50 мкА/25 мкА = 8%.

Б. Определение значения измеряемого параметра)

Для примера найдем значения измеряемого тока по положениям стрелок приборов, показанных на рис.3.1., для чего используем данные о цену деления шкал этих приборов из таб.3.1.:

I1 = 17 мкА; I2 = 47 мкА.

Электромеханические приборы весьма разнообразны по назначению, конструкции, принципу преобразования подводимой энергии и метрологическим характеристикам.

Специальную систему маркировки, необходимую для получения достаточной информации об измерительном приборе, устанавливает ГОСТ 1845 - 59. Расшифровка условных обозначений, наносимых на шкалах приборов, приведена в приложении .

Измерение параметров электрических цепей

Сопротивление R, емкость С, индуктивность L измеряют методами прямого и косвенного измерений.

Измерение электрического сопротивления постоянному току

< Электрические сопротивления электротехнических устройств (катушек, резисторов и т.д.) постоянному току можно условно разделить на малые (до 1 Ома), средние (от 1 до 105 Ом) и большие (выше 105 Ом). Для измерения малых сопротивлений применяют метод амперметра -- вольтметра и мостовой. Для измерения средних сопротивлений применяют методы амперметра -- вольтметра, непосредственной оценки (омметры), мостовой (одинарные мосты) и компенсационный.